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        無線體域網(wǎng)中基于心電特征的身份認證協(xié)議*

        2018-10-26 12:12:12朱淑文鐘伯成王加賓丁邢濤
        傳感器與微系統(tǒng) 2018年11期
        關鍵詞:私鑰心電特征提取

        朱淑文, 鐘伯成, 王加賓, 丁邢濤

        (上海工程技術大學 電子電氣工程學院,上海 201620)

        0 引 言

        無線體域網(wǎng)(wireless body area networks,WBAN)應用于醫(yī)療領域過程中,智能傳感器終端采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是與患者生命緊密相關的生理信息,確保相關信息安全是WBAN中一項至關重要的任務,而身份認證作為實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全第一道屏障,成為WBAN中的研究熱點。文獻提出一種基于心臟搏動間隔的輕量級身份認證方法,根據(jù)對心臟搏動間隔的隨機性和時變性的分析,設計了一種動態(tài)個體識別碼的編碼方案。文獻提出了一種基于心電(electrocardiograph,ECG)信號的安全框架。發(fā)送者的ECG原始信號經(jīng)特征值提取為二進制序列,哈希運算后生成消息認證碼,接收者對消息認證碼進行概率估算并與醫(yī)療數(shù)據(jù)庫中儲存的特征值匹配判斷發(fā)送者的身份。但是目前生理特征的提取或準確率不高,或過于復雜,信息保護方案的性能有待進一步的提高。

        本文針對WBAN中傳感器節(jié)點能量資源嚴重受限與生理特征提取準確性不高的實際情況,設計了一種基于集合編碼的ECG生物特征提取方法和零知識認證相結合的雙向身份認證協(xié)議。

        1 理論基礎

        1.1 心電信號提取

        以往對ECG信號處理的方法是基于模糊提取器的生物密鑰算法,將生物特征表征為有序的二進制序列,這會使生物密鑰產(chǎn)生大量的冗余編碼。本文心電特征表征方法基于整數(shù)集合的表示模式將心電特征表示為無序的集合,在分發(fā)過程中不用產(chǎn)生大幅冗余的編碼,大大降低了編碼過程中的平均錯誤率。傳感器節(jié)點采集到ECG信號后采用文獻提出的Vita Code心電生物特征提取表示方法。圖1為Vita Code心電圖特征提取處理流程。

        圖1 Vita Code心電圖特征提取處理流程

        1.2 GPS身份證

        全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)身份識別協(xié)議具有以下特點:在一般任意模數(shù)離散對數(shù)問題難解的假設下是可以證明安全的,基于身份的短密鑰,有非常小的信息傳輸量和最小化的在線計算量,適用于WBAN節(jié)點能量受限和安全需求較高的情況。

        2 認證方案

        醫(yī)療傳感網(wǎng)主要有無線體域網(wǎng)、用戶終端和醫(yī)療云服務器組成,用戶終端收集各個醫(yī)療傳感器發(fā)送的生理信息,通過基站、網(wǎng)關等外部網(wǎng)絡將醫(yī)療信息傳送至醫(yī)療云服務器。認證協(xié)議將基于ECG特征口令的認證實現(xiàn)用戶終端對云服務器的驗證,并在基于協(xié)議的基礎上,用心電特征值作為用戶終端的私鑰進行認證,實現(xiàn)用戶終端和云服務器之間的雙向認證。認證協(xié)議主要包括系統(tǒng)初始化、用戶終端注冊、認證。協(xié)議的簡單流程如圖2。

        圖2 認證協(xié)議流程

        認證協(xié)議的符號定義為CT為用戶終端,X為注冊的心電特征集合,CS為云服務器,Y為待驗的心電特征集合,⊕為邏輯異或操作,id為用戶身份。

        2.1 系統(tǒng)初始化階段

        2.2 UT注冊階段

        階段一UT→CS

        1)UT采集并提取病人的ECG特征集合為X={x1,…,xi,…,xm},0

        2)利用ECG特征集合X構建一個m階的特征多項式

        (1)

        式中p=2q為公開的,該過程在有限域GF(2q)上計算。

        3)在整數(shù)集U中隨機的抽取t個不同的元素構成集合E={e1,…,ei,…,et},計算多項式P(z)在集合E上的函數(shù)值,而得到點集

        V={〈e1,P(e1)〉,…,〈ei,P(ei)〉,…,〈et,P(et)〉}

        (2)

        4)選取私鑰s∈[0,S],計算D≡g-Xmod(n),θ=s⊕X,H(s)=hash(s),并將id,θ,D,V,H(s)發(fā)送給CS。

        階段二CS→UT發(fā)送注冊成功信息

        CS檢查UT的合法性后,將UT發(fā)來的id,θ,D,V,H(s)存儲在CS的數(shù)據(jù)庫中,然后向UT發(fā)送注冊成功的消息。

        2.3 認證階段

        階段一UT→CS,id

        UT發(fā)送id請求CS認證。

        階段二CS→UT,θ,V,H(s)

        CS通過數(shù)據(jù)庫找出id對應的θ,V,H(s),發(fā)送給UT。

        階段三UT→CS,φ

        1)UT將采集的心電生物特征Y表示為一個m階的無序整數(shù)集合Y={y1,…,yi,…,ym},0

        (3)

        從V提取出t個互異的元素構建E={e1,…,ei,…,et},計算多項式Q(z)在集合E上的函數(shù)值,從而得到點集

        {〈e1,Q(e1)〉,…,〈ei,Q(ei)〉,…,〈et,Q(et)〉}

        (4)

        2)假設有t個未知的變量:A={a1,…,ai,…,au}和B={b1,…,bi,…,bv},A?U,B?U,其中u=mX-(mX+mY-t)/2=(mX-mY+t)/2,v=mY-(mX+mY-t)/2=(mX-mY+t)/2,由此構建兩個特征多項式

        (5)

        3)基于上述t個未知變量,構建t個獨立的方程

        P(ei)B(ei)=Q(ei)A(ei),i=1,…,t

        (6)

        因為{P(e1),…,P(ei),…,P(et)}和{Q(e1),…,Q(ei),…,Q(et)}已經(jīng)被計算出來,故該方程組可解的唯一的值,A={a1,…,ai,…,au},B={b1,…,bi,…,bv}。假如B?Y,則認證過程停止,如果B?Y,從m階集合Y中減去那些也在u階集合B中的共同元素,再加上u階集合A的所有元素,可以計算出一個新的m階集合

        X*=(Y-B)∪A

        (7)

        此時X*為恢復出來的注冊的ECG特征值集合。

        4)UT計算私鑰s*=X*⊕θ,計算H(s*)=hash(s*),比較H(s*)與接收的H(s)是否相同,如果相同,則證明CS是合法的,然后從[0,M)中隨機選擇一個數(shù)r,并計算φ≡gr(mod(n)),將其發(fā)送給服務器。

        階段四CS→UT,c

        CS從[0,B)中隨機選擇一個挑戰(zhàn)c發(fā)送給UT。

        階段五UT→CS,y

        計算y=r+cX并將其發(fā)送給CS,y為響應應答。

        階段六CS通過驗證y∈[0,M+Φ)及φ*≡gyDz(mod(n))是否與φ相同,如果驗證通過則接收UT的證明,否則協(xié)議停止。

        根據(jù)協(xié)議安全需求,CS要求UT重復上述認證過程l次。一般在實際應用中,當參數(shù)|N|=32的情況下,只認證1次即滿足安全需要。

        3 協(xié)議分析

        3.1 正確性分析

        定理1 在本協(xié)議中當ECG生理特征集合X與Y滿足互異相似門限條件時,即當|X|+|Y|-2|X∩Y|≤t時,得到(Y-B)∪A=X,可實現(xiàn)對注冊心電特征X進行復現(xiàn)。

        定理2 合法的CS能通過UT的驗證,即正確的H(s)能夠通過等式H(s*)=H(s)的驗證。

        證明:因為s*=X*⊕θ=X*⊕(s⊕X)=s,所以正確的H(s)能夠通過等式H(s*)=H(s)的驗證。

        定理3 合法的UT能通過CS的驗證,即正確的(c,y)能夠通過等式φ*≡φ(mod(n))的驗證。

        證明:由于y=r+cX,D≡g-X(mod(n)),φ*≡gr(mod(n)),故φ*≡gyDc≡gr+cX(g-X)c≡gr(mod(n)),故φ*≡φ(mod(n))。所以正確的(c,y)能夠通過等式φ*≡φ(mod(n))的驗證。

        3.2 安全性分析

        1)保護ECG隱私屬性在UT認證CS合法性過程中,攻擊者有機會獲取密鑰恢復的輔助信息θ,為了獲得私鑰s,只能通過暴力猜測的方式獲得除了V中部分X信息之外的X信息,而注冊ECG特征X中元素的取值在(0,MAX〗之間,破解出V中t個元素之外的其他X元素的計算復雜度為MAXm-1。因此攻擊者不能獲得UT的ECG特征集合X*。整個認證階段ECG特征值X以D≡g-X(mod(n))存儲,因為由D和g解出X是離散對數(shù)難題,所以生物特征認X是安全的。

        2)抵御偽造攻擊

        由于攻擊者無法獲得UT的ECG特征集合X*,所以,不能由θ解出的私鑰s,從而無法獲取注冊時的生物特征信息X。在認證過程中如果θ被偽造,UT在恢復出私鑰s后,計算出的H(s)*如果與CS發(fā)送的H(s)不相等時,說明θ被偽造,立即終止協(xié)議。

        3)抵御重放攻擊

        對于重放攻擊來說,盡管注冊ECG特征X為GPS協(xié)議的私鑰不會改變,但CS對UT的驗證中采用了一次性隨機數(shù)的挑戰(zhàn),可見攻擊者重放在以前通信過程中竊聽到的隨機數(shù)時無法通過認證。

        4)雙向認證

        本協(xié)議實現(xiàn)了UT 和CS之間的雙向認證。UT對CS的驗證采用的是基于ECG特征口令的身份認證技術,協(xié)議安全性是基于私鑰s的安全性,s的安全性由單向哈希函數(shù)保證。CS對UT的認證是基于GPS的身份識別協(xié)議設計的,認證過程中由注冊的心電特征集合作為用戶的秘密信息,GPS協(xié)議的安全性可以保證這部分的安全性。

        3.3 效率分析

        在UT對CS認證過程中,采用基于集合編碼的心電特征作為口令信息,通過實驗比較文獻中介紹的有序二進制編碼和本協(xié)議所用的Vita Code的集合編碼方法對ECG特征識別的準確性的影響。

        圖3給出了實驗采用有序二進制編碼方法與集合編碼方法(編碼長度m=64;特征選取RR;值量化參數(shù)q=4)時,所得的錯誤接受率(FAR)和錯誤拒絕率(FRR)曲線。鑒于兩種表征方法采取的不同測度距離,故平均錯誤率(EER)是相對準確且合理的對比指標。圖3(a)中二進制編碼的ERR為3.27 %,圖3(b)中集合編碼的ERR為2.66 %。因此,本文采用的集合編碼表征方法在準確性上有更好的效果,平均錯誤率更少。在CS對UT的GPS認證過程中,可以只需1次驗證,就可達到安全水平。本文的通信量和計算量均較少,適用于WBAN中能源受限的UT。

        圖3 準確性分析結果

        4 結束語

        本文在介紹WBAN的相關背景知識和ECG特征提取方法的基礎上,根據(jù)醫(yī)療無線體域網(wǎng)認證機制的安全需求,提出了一種滿足UT和CS之間的雙向身份認證協(xié)議。通過對協(xié)議的正確性、安全性和效率分析表明該協(xié)議滿足醫(yī)療無線體域網(wǎng)的認證需求。

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